Arseniuro di boro

L’arseniuro di boro è un semiconduttore con una elevata conduzione termica fino a circa 1300 W m^–1 K^–1 simile a quelle del silicio e superiore alla maggior parte dei semiconduttori e dei metalli più comuni ed è pertanto un semiconduttore promettente per componenti elettronici ad alte prestazioni. La conduttività termica è utilizzata per indicare la quantità di calore che può passare attraverso un materiale lungo un metro quando la differenza di temperatura da un lato all’altro è di 1 grado Kelvin

L’arseniuro di boro è un semiconduttore III-V ovvero costituito da elementi appartenenti ai gruppi III e V della Tavola Periodica. Questa notazione utilizza le vecchie dizioni dei gruppi in quanto il Gruppo 3 detto Gruppo 3A ora viene indicato come gruppo 13 e il Gruppo V è ora indicato come Gruppo 15.

La scoperta e lo sviluppo della tecnologia dei semiconduttori III-V furono eseguiti presso l’Istituto Ioffe, nel 1950 e le indagini sulle loro proprietà fondamentali furono iniziate sotto la guida di due eccezionali scienziati Nina Aleksandrovna Goryunova e Dmitry Nikolayevich Nasledov.

Sebbene la struttura dell’arseniuro di boro che è uno dei meno noti semiconduttori III-V sia nota fin dagli anni ’60 dello scorso secolo, l’alta qualità dei campioni sintetizzati secondo metodologie innovative, promette di ottenere un materiale per applicazioni che vanno dall’elettronica di potenza ai dispositivi optoelettronici

Proprietà dell’arseniuro di boro

L’arseniuro di boro ha un reticolo cristallino a doppio reticolo cubico a facce centrate detto struttura a blenda di zinco isostrutturale con altri semiconduttori III–V come l’arseniuro di gallio, in cui gli atomi di boro e arsenico sono legati covalentemente con una costante reticolare di 4.78 Å.

Ha un band gap di 1.82 eV, un indice di rifrazione ottico di 3.29 a temperatura ambiente e alla lunghezza d’onda di 657 nm e un modulo elastico di 326 GPa che è il doppio di quello del silicio. Ha una temperatura di fusione di 2076 °C.

L’arseniuro di boro, che è un semiconduttore termicamente stabile e chimicamente inerte, ha una conduttività termica elevata e oltre tre volte superiore rispetto a quella degli standard industriali ad alta conduttività come rame e carburo si silicio e due volte superiore a quella del nitruro di boro cubico.

È dotato di elevata mobilità ambipolare di 1600 centimetri quadrati per volt al secondo detta anche elevata mobilità dei portatori che è la proprietà degli elettroni e delle lacune in un materiale semiconduttore di rispondere con uguale mobilità a una carica prodotta da un campo elettrico contrariamente al silicio e all’arseniuro di gallio che hanno una buona mobilità degli elettroni ma una scarsa mobilità delle lacune.

I ricercatori prevedono che l’arseniuro di boro abbia una conduzione termica teorica di 2200 W m^–1 K^–1, la più alta mai raggiunta da qualsiasi composto. Tuttavia, per raggiungere un valore così elevato sono necessari materiali di alta qualità, poiché difetti e impurità degradano drasticamente le proprietà termiche.

I cristalli di BAs  di solito presentano grandi variazioni nelle proprietà di trasporto termico ed elettronico. Le misurazioni della spettrometria di massa  rivelano la presenza di diverse impurità nei BAs, tra cui Si, C, O, H, Te, Na e I. Alcune di queste impurità, in particolare Si, C e H, potrebbero fungere da accettori superficiali, portando al comportamento di conduzione di tipo p comunemente misurato nei BAs. La conduttività termica e la mobilità delle lacune sono ridotte maggiormente nei campioni con concentrazioni di impurità più elevate a causa della maggiore diffusione delle impurità di fononi e lacune, rispettivamente.

Sintesi

L’arseniuro di boro cubico è stato sintetizzato per la prima volta nel 2015 fa dagli scienziati della University of Houston in Texas scoprendone poi le promettenti proprietà semiconduttrici nel 2018.

Il procedimento per la preparazione di una forma cristallina cubica di arseniuro di boro consiste essenzialmente nel mettere a contatto il boro elementare con il vapore di arsenico a una temperatura compresa tra circa 700 °C e 900 °C.

I cristalli di arseniuro di boro sono preparati tramite trasporto chimico di vapore. Polveri grossolane di boro e arsenico ad alta purezza sono macinate utilizzando mortaio e pestello, prima di essere introdotte in un tubo di quarzo con un rapporto stechiometrico di 1:2.

Dopo aver caricato le fonti di reazione, il tubo di quarzo è evacuato e sigillato a fiamma sotto vuoto spinto  alla pressione di 10 ⁻⁵  Torr prima di essere inserito in un forno a tre zone per la sintesi a circa 760/785 °C. Le dimensioni delle particelle dei cristalli di BAs possono essere ben controllate utilizzando condizioni di crescita.

Usi

L’insolita elevata conduttività termica rende l’arseniuro di boro un promettente materiale semiconduttore, in particolare per applicazioni di gestione termica in cui la dissipazione del calore è un fattore cruciale nel determinare l’efficienza e l’affidabilità dei dispositivi elettronici.

La natura semiconduttrice dell’arseniuro di boro offre proprietà compatibili e vantaggi nella produzione e nell’integrazione dei dispositivi, come dimostrato dagli studi sul raffreddamento di componenti elettronici ad alta potenza e a banda larga.

La gestione termica è importante nella maggior parte dei moderni sistemi elettronici. L’energia termica deve essere dissipata da dispositivi come computer e automobili, portando alcune case produttrici a rivolgersi a nuovi semiconduttori per trovare risposte. La miniaturizzazione dell’elettronica moderna rende la dissipazione del calore una delle principali sfide tecnologiche a causa dell’integrazione su larga scala dei loro circuiti elettronici

Sia l’arseniuro di boro cubico che il fosfuro di boro potrebbero sostituire il silicio nei chip e fungere da substrati di raffreddamento e di conduzione elettronica. Il surriscaldamento è una causa fondamentale di guasti nell’elettronica e spreca energia che potrebbe essere utilizzata in modo più efficiente per gli scopi della macchina, che si tratti di elaborazione o illuminazione di edifici.

I substrati elettronici che raffreddano attivamente i componenti porterebbero a una maggiore efficienza e a una minore richiesta di energia. È utilizzato anche nelle celle solari, nell’elettronica spaziale e nei circuiti resistenti alle radiazioni.

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